JPH109847A

JPH109847A - 人工または自然構造物の形状診断方法

Info

Publication number: JPH109847A
Application number: JP8166230A
Authority: JP
Inventors: Takeo Son; 建生孫; Takahisa Shiotsuki; 隆久塩月; Tetsuo Nagai; 哲夫永井
Original assignee: Aoki Corp
Current assignee: Aoki Corp
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1998-01-16
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: JP2944515B2

Abstract

(57)【要約】【課題】人工または自然の構造物の外形や亀裂の存在
を非破壊で正確に、かつ容易に診断する。【解決手段】打撃装置を用いて打撃し、反射波の中の
高周波領域の反射波を受信し、その強い指向性と表面波
の著しい減衰特性とから構造物の端部（Ｂ）または亀裂
部（Ａ）の境界点を検出し、その位置までの距離を、波
動伝播から求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、人工または自然
構造物の形状診断方法に関するものである。さらに詳し
くは、この発明は、土中、水中、海中などに埋設あるい
は半埋設されている人工または自然の構造物の長さ、大
きさ等の端部形状や、その構造物の亀裂の位置を測定・
診断するのに有用な人工または自然構造物の形状診断方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、たとえば、土木建
設業においては、地中に埋設された杭などの人工構造物
の全体形状や、亀裂の存在等を把握することは、地震等
の災害後の、あるいは長期経過後の既設杭の診断にとっ
て、さらには、高品質の施工を行う上で、地中構造物の
周辺に新たに構造物を造る場合などにおいて、ほぼ絶対
的に必要な作業の一つとなっている。

【０００３】また、人工構造物だけではなく、岩盤など
の地盤材料を対象として斜面や地下空洞を掘削する場
合、既設の斜面や地下空洞の安定性を評価する場合、岩
石、岩盤、地下空洞などの自然構造物の内部亀裂（不連
続面）を把握することについても、あるいは転石や岩塊
の大きさおよび根入れ深さなどを把握することも欠くこ
とのできない作業となっている。

【０００４】岩盤の崩落や滑落などの自然災害の防止と
いう観点からも、その自然構造物の長さや大きさだけで
なく、その内部の亀裂の位置までも正確に把握する必要
がある。このような人工または自然構造物の長さ、大き
さ、その内部の亀裂の位置等を診断測定するための方法
として、これまでにも数多くの方法が開発され提案され
てきている。

【０００５】これら従来公知の方法は、大きく分けて、
直接的な診断測定方法と動的な診断測定方法とに分類す
ることができる。直接的な診断方法には、たとえば、目
視による診断や、実際に基礎構造物を掘り出して直接観
察する方法や、ポアホールカメラを用いることにより、
その基礎構造物を撮影する方法などがある。しかしなが
ら、これらのいずれの方法の場合も、その作業には非常
に多くの時間と労力を必要とするという問題がある。

【０００６】また、これらの直接的診断方法では、上部
構造物の大きさや亀裂の位置は肉眼で認められ、その状
況が速やかに診断できるものの、大型岩盤や杭など地中
深部まで入り込んでいる構造物については、その形状を
把握することは極めて困難であった。一方、動的診断方
法（非破壊検査）も、多くの研究者や、専門家により精
力的に研究されてきており、たとえば、衝撃弾性波法
（反射法、ＶＳＰ法）、超音波法、地下レーダー法等の
各種のものの適用が試みられている。

【０００７】しかしながら、衝撃弾性波法では、反射波
と、直接波や表面波が混在してしまうため十分な形状診
断が行えず、さらに他の方法では反射波のエネルギー減
衰が非常に大きいため、構造物の大きさが１〜２ｍ程度
のものしか形状診断できないのが実情である。また、速
度検査法、電気診断法やポアホールレーダ法も適用され
ているものの、これらの方法においては、ボーリングが
必要であり、そのコストを考慮すると実用的な方法とは
言いがたい。

【０００８】さらに、土木建築業の杭の形状診断に限っ
て言えば、従来の動的診断法ではたとえば、フーチング
を含む上部構造物の存在による影響が非常に大きな問題
となっている。この点についてさらに説明すると、たと
えば、新設杭の動的な形状診断では、単独杭を対象とし
て形状診断が行われるために上記のフーチングの影響は
存在しないが、地震被害などで非常に小さな亀裂が存在
する基礎構造物の杭は、一般的に単独杭が少なく、いく
つかの杭を連結したフーチングの上で、大きさ、長さ、
さらには、亀裂の診断を行わなければならないため、フ
ーチングと杭の間に生じる波の重複反射現象と、フーチ
ングそのものの、周囲の杭および上部構造物の連成振動
とが、検査の実施および計測結果の分析に大きな影響を
与えることになる。従来の動的診断方法では、いずれの
場合にも以上のような重大な問題を解決できないでい
た。

【０００９】そこでこの発明は、以上のとおりの従来技
術の欠点を克服し、非破壊検査法としての動的診断法の
特徴を生かしつつ、しかも容易に、かつ、正確に構造物
の大きさ、長さ、亀裂の位置等までも測定診断すること
のできる、新しい人工または自然構造物の形状診断方法
を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、打撃装置を用いて構造物を打撃
し、反射波の中の高周波領域の反射波を検知し、その強
い指向性と表面波の著しい減衰特性とから構造物の端部
または亀裂部の境界点を検出し、その位置までの距離
を、次式Ｌ₁＝Δｔ・Ｖ／２Ｌ₁：検知点と境界点位置との距離、 Δｔ：境界点反射波の初動時間、Ｖ：構造物材料の波動伝播速度にしたがって求めることを特徴とする人工または自然構
造物の形状診断方法を提供する。

【００１１】また、この発明は、上記方法において、１
０ｋＨｚを超えて５００ｋＨｚ程度までの高周波領域の
反射波を受信して距離を求める方法や、１００ｋＨｚ以
上の高周波領域の反射波を受信して距離を求める方法、
複数個所において構造物を打撃して反射波を受信する方
法、そして、これら方法によって構造物の外形形状を診
断する方法、あるいは構造物の亀裂部位を診断する方法
等の態様も提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】すなわち、この発明は、高周波数
の弾性波の強い指向性と、表面波の高周波成分の著しい
減衰特性という、弾性波の伝播特性を踏まえて構造物の
形状診断を行うことに大きな特徴がある。高周波数の弾
性波の指向性とは、高周波数を有するものは、一般に非
常に強い指向性を示すことであり、また、表面波の高周
波成分の減衰特性とは、高周波数を有する波の波長は非
常に短いことから、構造物の基礎の地表面部や転石や岩
塊の表面部における減衰が著しいということである。

【００１３】この高周波数成分の有効性についてさらに
説明すると、指向性については、超音波探査分野で確立
されている理論的根拠である。構造物表面に打撃を与え
ると、構造物内で応力波として伝播する。この応力波は
懐中電灯の光柱のように前に進む。その時の横方向への
広がりを示す傾斜角がいろいろな要素に影響されるが、
主に波の周波数と反比例する。すなわち、周波数が高い
ほど、傾斜角が小さくなる。たとえば経験からは、１０
０ｋＨｚのＨＰＦ（ＨｉｇｈＰａｓｓＦｉｌｔｅ
ｒ）をかけた場合、その傾斜角は約１０°位である。

【００１４】表面波の減衰も周知の現象である。構造物
表面に打撃を与えると、Ｐ波と同時に表面波が多く発生
する。ただし、１００ｋＨｚを超える高周波数の場合、
波長がごく短くなり（数ｃｍ以下）、減衰がかなり大き
い。現場実験からも、打撃力の大きさにもよるが、大
体、コンクリートの場合、２ｍ（２ｍ／３５００ｍ（波
速度）＝０．６ｍｓｅｃ）以内、花崗岩の場合１．１ｍ
（１．１ｍ／４４００ｍ（波速度）＝０．２５ｍｓｅ
ｃ）以内は、打撃の衝撃と表面波の影響で、反射波の識
別ができないが、それより大きいと、反射波は他の影響
を受けることなくはっきり識別できる。

【００１５】この発明の方法では、以上のような高周波
数の弾性波に関する特性を利用して、人工または自然構
造物の境界点を特定し、その距離から形状を非破壊的に
診断するものである。距離の測定については、表面波の
高周波数成分は表面部における減衰が大きいことから、
高周波数成分を有する反射波の伝播時間を利用して打撃
点と反射波の発生した構造物の境界点の距離を求めるこ
とになる。これは、高周波数の弾性波の指向性によるも
ので、この２点を結ぶ方向と打撃の方向は一致すること
による。このような診断を対象とする構造物の規模や形
状を考慮して、数カ所でいくつかの方向に対して実施す
ることにより、最終的にその形状を特定するようにして
もよい。

【００１６】この発明では、上記のとおりの波動伝播の
関係に着目することにより、たとえば１０ｋＨｚを超え
て５００ｋＨｚ程度までの、さらには１００ｋＨｚ以上
の高周波帯域で、必要に応じて、いくつかの帯状周波数
域の反射成分を取り出すことで、構造物の端から位置ま
での距離を、次式によって求める。Ｌ₁＝Δｔ・Ｖ／２Ｌ₁：検知点と境界点位置との距離、 Δｔ：境界点反射波の初動時間、Ｖ：構造物材料の波動伝播速度なお、ここで、Ｖ：構造物材料の波動伝播速度は、経験
か室内実験によって決められるもので、材料がわかれば
決められるものである。

【００１７】また、上記の式に基づいて計算した距離は
みかけの距離で、構造物の個々の剛性低減率がわかれ
ば、伝播波動速度の低減度から見かけの距離を補正する
ことができる。以上のとおりのこの発明は、不連続面に
おける動的・静的特性についての独自のアプローチとし
て発明者が導いた不連続面を通過する波動の周波数選択
性および速度特性の知見に基づいて構造物の形状、亀裂
の位置を診断することを可能としたものである。

【００１８】そして、周波数の選択性は、この発明の実
際上の要となるものである。従来の理論、常識では、亀
裂などの不連続面、剛性の変化部で波動は反射する。そ
の反射する比は、波動特性の周波数とは関係がなく、構
造物の剛性変化率（インターピース）のみ関係する、と
認識されてきた。このような認識でも、従来のような、
大きな欠損を対象とする杭診断などでは問題がなかっ
た。

【００１９】しかしながら、地震被害を受けた杭の場合
のように、亀裂幅が数ｃｍ以下で、自重によって接触し
ているものは検知できなかった。その理由は、この程度
の亀裂では、波が反射しても、その成分がごく小さくノ
イズとしてしか見えない。これに対して、この発明で
は、幅、剛性低減率が既知である不連続面（ＯＰＥＮの
不連続面でない）を通過される波は、周波数によって選
択され、ある（低い）周波数範囲の波は反射することな
く（計測器の識別範囲内）、全部通過し、ある（高い）
周波数範囲の波は通過することなく、全部反射してしま
い、その中間の波に対しては反射と通過が同時に発生す
ることに着目している。

【００２０】そこで、この発明では、構造物のサイズを
検知するに際しては、指向性と表面波の減衰特性が生か
され、杭など構造物の被害診断には周波数選択性が併用
されることになる。距離の計算については、打撃して、
波が伝わり、断面の変化部（亀裂）等で一部反射され、
戻って来て、接収されるため、断面変化部の距離（Ｌ）
は波の速度（Ｖ）と伝播時間（Δｔ）の積の１／２で求
めることができる。この伝播時間は計測器から読め、波
動伝播速度は同一材料の場合は変化が小さく、室内実験
や経験から決められる。

【００２１】この発明の方法は、たとえば図１に例示し
た装置を用いて実施することができる。この図１は、杭
の亀裂診断を例として示したものであるが、ハンマーな
どの打撃装置（１）を杭などの地中構造物（２）に打ち
つけ、その反射波（３）を高感度センサー（たとえばＡ
Ｅセンサー）、加速度計などの受信計（４）を用いて受
信する。

【００２２】打撃装置（１）および受信計（４）は計測
記録装置（５）に接続されており、得られたデータはこ
の計測記録装置に記録される。さらに、この計測記録装
置（５）は、コンピュータ（６）に接続してもよく、こ
のコンピュータ（６）により、データの解析を行うこと
ができる。また、図２は、自然構造物としての岩石の外
形形状の診断を例として示したものであって、打撃装置
（１）を地中構造物（２）としての岩石に打ちつけ、高
周波の反射波（３）を圧電センサー等の受信計（４）に
よって受信して解析する。このことを、数ケ所において
行い、最終的に岩石の地中形状を特定する。

【００２３】以上のいずれの方法においても、受信計
（４）では、フィルターによって反射波のうちの必要と
する高周波成分のみを抽出する。たとえば２００ｋＨｚ
以上の成分のみをＨｉｇｈＰａｓｓフィルターによ
って波形として取出す。以下実施例を示し、さらに詳し
くこの発明の実施の形態について説明する。

【００２４】

【実施例】実施例１この発明の方法により、地震の被害を受けた高速道路基
礎杭の亀裂位置の診断を行った。診断対象の杭は、杭径
φ１，５００ｍ／ｍ、杭長２３ｍの場所打ち杭、１３本
の群杭で、フーチングの厚さ２．５ｍであり、このうち
の１本を診断の対象とした。

【００２５】打撃方法にはハンマー打撃を用い、受信装
置には圧電センサーを用い、増幅装置には、プリアンプ
とメインアンプを用い、記録装置にはオシロスコープを
用いた。図３はフーチング上から打撃を行った場合の、
その反射波の時間経過を原波形の上半部の包絡線波形
（ＥＮＶ）として示したものであり、１００ｋのＨｉｇ
ｈＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ（ＨＰＦ）をかけたものであ
る。すなわち、１００ｋ以下の波動成分がカットされ、
１００ｋ以上の波動成分のみを取り扱っている。この図
３において、亀裂からの反射波（Ｒ）が観察されてい
る。

【００２６】またこの図３では、その亀裂位置までの距
離を、横軸のスケールとして示している。杭端面からの
反射波により特定される杭長とともに、フーチングの厚
さも示している。同じ杭をポアホールカメラを用いて、
その亀裂の位置を測定したところ、亀裂位置は、非常に
よく一致していた。実施例２この発明の方法により、地中に埋設された鋼管の斜杭に
おける、亀裂位置の診断を行った。

【００２７】対象となる鋼管は、全長Ｌ＝１５５．８
ｍ、径φ１，２００ｍ／ｍ、管厚ｔ＝９ｍのスパイラル
管であり、現場で溶接を行ったものである。打撃方法に
はハンマー打撃を用い、受信装置には圧電センサーを用
い、増幅装置には、プリアンプとメインアンプを用い、
記録装置にはオシロスコープを用いた。

【００２８】その結果は、１００ｋのＨｉｇｈＰａｓ
ｓＦｉｌｔｅｒ（ＨＰＦ）をかけた状態の包絡線波形
（ＥＮＶ）を示した図４の通りであり、鋼管下端部に相
当する反射波（Ｂ）と、その約４０ｍ上方にある亀裂損
傷に対応する反射波（Ａ）が確認された。その後、実際
にこの鋼管をカメラにより直接的に診断した結果、同じ
位置に亀裂が確認された。実施例３この発明の方法により、建築中のマンションの基礎杭の
施工長の確認を行った。

【００２９】対象となる基礎杭は、図５に例示したよう
に、φ４５０ｍ／ｍの中掘り中空既製杭（８）で、長さ
は９ｍで、中掘り時に端部を拡大させ杭設置後に内部か
らミルクを注入し、拡底部（９）を形成している。基礎
杭上には、フーチング（１０）、地中梁（１１）、床版
（１２）が存在している。そこで、フーチング（１０）
上部と、床版（１２）上部から、打撃を行った。

【００３０】打撃方法にはハンマー打撃を用い、受信装
置には圧電センサーを用い、増幅装置には、プリアンプ
とメインアンプを用い、記録装置にはオシロスコープを
用いた。図６はフーチング上から打撃を行った場合の、
反射波の時間経過であり、また、図７は床版上から打撃
を行った場合の、反射波の時間経過である。この図６お
よび図７のいずれも、ＨｉｇｈＰａｓｓ１００ｋ
Ｆｉｌｔｅｒをかけた原波形を示している。

【００３１】これらの結果からフーチングあるいは床版
の上から、杭長（拡底部を含む）の診断が可能であるこ
とが確認された。実施例４この発明の方法により、地震の被害を受け多数の微小な
亀裂が存在する岸壁基礎のケーソン側壁の亀裂位置の診
断を行った。

【００３２】対象となるケーソンは、高さ１４．５ｍ、
上部工厚さ２．４５ｍ、ケーソン壁厚さ０．３５ｍであ
り、打撃はケーソンの上に介在する上部工の上から行っ
た。打撃方法にはハンマー打撃を用い、受信装置には圧
電センサーを用い、増幅装置には、プリアンプとメイン
アンプを用い、記録装置にはオシロスコープを用いた。

【００３３】ＨｉｇｈＰａｓｓ１００ｋフィルタ
ーをかけた原波形の上半部の包絡線波形（ＥＮＶ）を示
した図８のように、地震被害により生じた亀裂からの反
射波（Ａ）と、ケーソン下端部からの反射波（Ｂ）が確
認され、ケーソンの損傷が認められた。比較のために微
小亀裂が存在しないケーソンについても同様に診断を行
った。

【００３４】図９は、その亀裂の存在しないケーソンに
おける、ＨｉｇｈＰａｓｓ１００ｋフィルターを
かけた反射波の原波形の上半部の包絡線波形（ＥＮＶ）
を示したものであり、ケーソン下端部（Ｂ）の反射波の
みが観察されている。実施例５この発明の方法により、臨海の埋め立て地にある地震の
被害を受けた基礎杭の診断を行った。

【００３５】地質条件は、表層は１０．６ｍ厚さ、Ｎ値
１０ぐらいの玉石混じり砂礫盛土層であり、その下位に
Ｎ値０に近い約８．５ｍ厚さの粘度層、そして、その下
部にＮ値５０ぐらいの礫混じり砂層がある。基礎杭の上
部構造物は斜めになっており、基礎杭は全部で２２本
で、杭長２９ｍと杭長２７ｍの２種類があった。杭種は
杭径φ３５０ｍ／ｍのＰＨＣ杭であり、杭の上にはフー
チング、および、側壁が存在した。

【００３６】そこで、打撃はフーチングの上からと、側
壁の上から行った。打撃方法にはハンマー打撃を用い、
受信装置には圧電センサーを用い、増幅装置には、プリ
アンプとメインアンプを用い、記録装置にはオシロスコ
ープを用いた。図１０はフーチング上からの打撃を行っ
た場合の、ＨｉｇｈＰａｓｓ５０ｋフィルターを
かけた反射波原波形の時間経過であり、また、図１１は
側壁上から打撃を行った場合の、ＨｉｇｈＰａｓｓ
５０ｋフィルターをかけた反射波原波形の時間経過で
ある。

【００３７】この結果から、診断したほとんどの杭につ
いて、亀裂の位置が地層の変化点とほぼ一致しているこ
とが確認された。実施例６構造物の外形形状を診断するため、図１２（ａ）（ｂ）
に示した花崗岩について上記実施例１〜５と同様にして
試験した。ただ、打撃による反射波の確認は、複数個所
において行った。

【００３８】２００ｋＨｚＨｉｇｈＰａｓｓフィ
ルターをかけ、２００ｋＨｚ以上の波形のみを取出し
た。図１３は、反射波の原波形を示したものであり、図
１４は、算出して求めた推定値と実測値寸法とを、４回
の測定の結果として対比して示したものである。この図
１４から、反射波が外形形状に対応するものとしてはっ
きりと確認された。

【００３９】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、打撃による反射波を受信し、フィルタをかけるこ
とにより要求する帯域の反射成分の解析によって、構造
物の長さ、大きさ、さらには、亀裂の位置を容易に診断
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法とその装置構成を示した概略図
である。

【図２】この発明の方法の別の適用を例示した概略図で
ある。

【図３】この発明の実施例であって、亀裂の存在を示し
た反射波の位置の図である。

【図４】別の実施例であって、亀裂の存在を示した反射
波の図である。

【図５】また別の実施例であって、構造物の形状を示し
た概略図である。

【図６】実施例としてフーチング上から打撃を行った場
合の反射波の時間経過を示した図である。

【図７】図６に対応して、床版から打撃を行った場合の
反射波の時間経過を示した図である。

【図８】実施例として亀裂が存在するケーソンからの反
射波の時間経過を示した図である。

【図９】図８に対応して、亀裂の存在しないケーソンか
らの反射波の時間経過を示した図である。

【図１０】実施例としてフーチング上から打撃した場合
の反射波の時間経過を示した図である。

【図１１】図１０に対応して、側壁上から打撃した場合
の反射波の時間経過を示した図である。

【図１２】（ａ）（ｂ）は、各々、外形形状の診断に用
いた花崗岩を例示した斜視図と側面図である。

【図１３】反射波の時間経過を示した図である。

【図１４】反射波から算出した推定寸法と、実測寸法と
を対比させて示した図である。

【符号の説明】

１打撃装置２地中構造物３反射波４受信計５計測記録装置６コンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】打撃装置を用いて構造物を打撃し、反射
波の中の高周波領域の反射波を検知し、その強い指向性
と表面波の著しい減衰特性とから構造物の端部または亀
裂部の境界点を検出し、その位置までの距離を、次式Ｌ₁＝Δｔ・Ｖ／２Ｌ₁：検知点と境界点位置との距離、 Δｔ：境界点反射波の初動時間、Ｖ：構造物材料の波動伝播速度にしたがって求めることを特徴とする人工または自然構
造物の形状診断方法。
【請求項２】１０ｋＨｚを超えて５００ｋＨｚ程度ま
での高周波領域の反射波を受信して距離を求める請求項
１の形状診断方法。
【請求項３】１００ｋＨｚ以上の高周波領域の反射波
を受信して距離を求める請求項１の形状診断方法。
【請求項４】複数個所において構造物を打撃して反射
波を受信する請求項１ないし３のいずれかの形状診断方
法。
【請求項５】構造物の外形形状を診断する請求項１な
いし４のいずれかの形状診断方法。
【請求項６】構造物の亀裂部位を診断する請求項１な
いし４のいずれかの形状診断方法。